チェルノブイリ原発事故で最も不気味な点は、単に4号炉が安全試験中に爆発したことではありません。本来は危険を止めるはずの緊急停止装置が、短いあいだとはいえ、逆に炉を危険な状態に追い込んでしまったことです。
1986年4月26日、チェルノブイリ原子力発電所では、停電時に原子炉の冷却を維持できるかを確認する試験中に大事故が発生しました。そこで起きたことは、不安定な運転条件と潜在的な設計上の欠陥がどのように組み合わさって大惨事を生むかを示す、最も衝撃的な事例のひとつになりました。
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原子炉は本来こんな挙動をしないはずだった
通常、スクラムと呼ばれる緊急停止では、核分裂連鎖反応が急速に抑えられます。チェルノブイリでは、AZ-5 という緊急停止ボタンを押すと、すべての制御棒が炉心に挿入され、原子炉は停止するはずでした。
制御棒は原子炉の出力を調整するためのもので、炉心内の連鎖反応に作用して働きます。しかし4号炉の制御棒の先端部には、黒鉛製のエクステンション（延長部）が取り付けられていました。黒鉛は中性子減速材で、条件次第では連鎖反応を維持しやすくします。一方、炉内の水は中性子を吸収していました。
この組み合わせが、危険な「クセ」を生みました。制御棒が全引き抜き状態から下がり始めると、まず先端の黒鉛が中性子を吸収する水を押しのけてしまい、その後になってはじめて中性子を吸収する部分が本来の役目を果たし始める構造だったのです。つまり、ごく短い時間とはいえ、制御棒を挿入すると出力を下げるどころか、逆に反応度を高めてしまうおそれがありました。
反応度とは、核分裂連鎖反応がどれだけ強く進んでいるかを表す指標です。反応度が高いほど出力も大きくなります。チェルノブイリでは、その一時的な反応度の上昇が致命的な結果につながりました。
安全試験がいつの間にか危険領域へ
事故は、タービンが惰性で回転し続ける間に発電を継続できるか、つまり外部電源喪失後、ディーゼル非常用発電機が立ち上がるまでの短時間、冷却水ポンプに必要な電力をまかなえるかを調べるための計画試験中に始まりました。
この試験は1982年、1984年、1985年にも失敗しており、1986年には定期点検に向けた出力低下運転中に再度実施されることになっていました。手順では、原子炉の熱出力を700〜1,000メガワット熱（MWt）の範囲まで下げることが求められていました。
ところが予定は狂います。4月25日、別の発電所が予期せず停止したため、キエフの電力系統の制御担当から、チェルノブイリの出力低下を延期してほしいと要請があったのです。その結果、原子炉は何時間も通常とは異なる運転状態のまま続行されました。試験準備の一環として既に停止されていた緊急炉心冷却装置は、この延期中も止められたままでした。
深夜になってようやく出力低下が再開されたときには、日勤班は退勤し、夕勤班も交代の時間を迎え、夜勤班には準備の時間がほとんど残されていませんでした。本来は日中に終わっているはずの試験が、準備不足のまま時間に追われる形で、遅延して複雑化した条件下で実施されることになってしまったのです。
原子炉を不安定にした出力低下
計画では、出力をゆっくりと下げて安定したレベルに落ち着かせるはずでしたが、実際には原子炉出力は予定よりはるかに低く落ち込んでしまいました。
大きな要因になったのがキセノン135という核分裂生成物で、中性子をよく吸収する性質があります。簡単にいえば、キセノン135が多いと連鎖反応が進みにくくなります。出力が高いときにはキセノン135は比較的早く燃え尽きますが、出力が落ちると、燃え尽きる速度よりも生成速度の方が勝ってしまい、炉が「毒される」ように反応が抑え込まれます。これが「炉心毒（キセノン毒）」と呼ばれる現象です。
深夜0時ごろ、出力はおよそ720MWと、計画されていた範囲に近づきました。ところがそこからさらに下がり続け、意図を大きく外れて、30MW熱前後かそれ以下という、ほとんど炉停止に近いレベルまで落ち込んでしまったのです。これは試験に必要とされていた最低出力のごく一部にすぎませんでした。
出力を回復させるため、運転員は多数の制御棒を引き抜きました。その結果、原子炉はようやく約160MW、のちに約200MWまで戻りましたが、それでも規定よりはるかに低いままでした。その時点で、炉の状態はきわめて危険なものになっていました。
なぜ「沸騰した水」が脅威になったのか
200MWという低出力状態の4号炉は、著しく不安定でした。より多くの主循環ポンプが起動され、冷却水の流量が増えたことで、一時的には蒸気泡（ボイド）が減少しました。しかし出力を維持するために、運転員はさらに多くの制御棒を引き抜かざるを得ませんでした。
ここで問題になるのが、RBMK型原子炉特有の「正のボイド係数」と呼ばれる性質です。難しそうな用語ですが、要点はシンプルで重要です。炉心内の水が沸騰して蒸気になり、その蒸気の空隙（ボイド）が増えると、反応度が下がるどころか、逆に上昇してしまうという性質でした。
多くの炉型では、沸騰が進むと連鎖反応が抑えられる方向に働きます。しかしこの炉では、沸騰が連鎖反応を加速させてしまったのです。
そのため原子炉は、次のような危険なフィードバック・ループに入りました。
- 沸騰が進むと蒸気ボイドが増える
- 蒸気ボイドが増えると反応度が上昇する
- 反応度が上昇すると発熱が増える
- 発熱が増えるとさらに沸騰が進む
同時に、ほとんどすべての制御棒が引き抜かれていました。炉は蒸気の発生にきわめて敏感になり、暴走的な出力上昇に対して極端に脆弱な状態になっていたのです。
制御棒に潜んでいた致命的な欠陥
1時23分04秒、試験が開始されました。タービンへの蒸気供給が止められ、タービンが惰性で回転し続けるあいだに、ポンプへの電力供給が徐々に低下し始めました。冷却水の流量が減り、蒸気ボイドが増えていきます。
そして1時23分40秒、実験の終了間際に、運転員がAZ-5ボタンを押して緊急停止をかけました。
ここで本来なら、危険は終息するはずでした。
しかし、設計上の欠陥が牙をむきます。
制御棒の先端に黒鉛のエクステンションが付いていたため、挿入のごく初期段階で、中性子を吸収する水が中性子を減速する黒鉛に置き換わってしまいました。不安定な運転条件にあった4号炉では、その効果によってまず反応度が一時的に上昇してしまったのです。
この問題はまったく知られていなかったわけではありません。類似のRBMK炉を持つイグナリナ原子力発電所では、1983年に制御棒挿入時の出力スパイクが経験されていました。しかし抜本的な対策は講じられませんでした。
チェルノブイリでは、この欠陥を致命的なものにする条件が、ほぼ完璧にそろってしまっていました。極端な低出力、過度に引き抜かれた制御棒、不安定な冷却水の状態、そしてボイドの発生に非常に敏感な炉心。
破壊までの3秒間
緊急停止が始まってから、わずか数秒のうちに出力スパイクが起こりました。
炉心は急激に過熱し、一部の燃料棒は破損するほどでした。この損傷によって制御棒が途中で引っかかり、およそ3分の1ほど挿入された位置で動かなくなり、完全な挿入が妨げられた可能性が指摘されています。3秒以内に、原子炉の出力は530MWを超えるまで上昇しました。その後の出力上昇はあまりに急激で、計器では正確に追い切れなくなっていました。
制御盤に記録されていた最後の値は、およそ3万MW熱でした。これは通常運転時の約10倍に相当します。一部の推定では、実際のピークはそれ以上だった可能性も示唆されています。
この出力急増によって、燃料温度と蒸気圧力は爆発的に上昇しました。燃料被覆管は破断し、燃料要素が冷却材中に放出され、冷却チャネルが次々と破壊されました。
そして爆発が起こります。
最初に起きたのは蒸気爆発だったと考えられています。これにより原子炉の圧力容器上部が破壊され、炉心上部にある巨大な生体遮へい（上蓋）が吹き飛ばされました。続いて2〜3秒後、さらに強力な2度目の爆発が発生し、破損した炉心構造物が外部に飛散し、実質的に核分裂連鎖反応は終息しました。
燃えている黒鉛や燃料片が空中に投げ出され、あちこちで火災が発生しました。破壊された炉心を通る空気の流れが、放射性物質の拡散を助長し、汚染は発電所の敷地をはるかに超えて広がっていきました。
なぜこの設計欠陥がそれほど重要なのか
チェルノブイリ事故は、単一の原因で起きたわけではありません。試験条件、運転員の操作、炉の不安定さ、そして劣悪な安全文化といった複数の要因が重なり合って生じたものです。しかし、「停止ボタン」が果たした役割は、意図された安全装置が逆向きに機能してしまうという、もっとも背筋の寒くなる教訓のひとつとして残りました。
国際原子力安全諮問グループ（INSAG）による後の調査では、当初の報告が運転員の行動に強く焦点を当てすぎていたことが指摘されました。改訂された評価では、事故の主たる原因は原子炉の設計にあるとしつつも、管理職と運転現場の両レベルにおける安全文化の不備が重大な背景要因だと結論づけています。
この区別には意味があります。それは、この事故が単に「誰かが間違ったボタンを押した」ために起きたわけではないことを示しています。原子炉は、設計そのものが、緊急停止操作を「最終的な出力暴走の引き金」に変えてしまうような状態に追い込まれていたのです。
チェルノブイリを決定づけた「ねじれた結末」
チェルノブイリ事故に宿る残酷な皮肉は、いくら強調してもしすぎることはありません。低出力、引き抜かれた制御棒、不安定な冷却水流量、正のボイド係数という危険な条件が重なって、すでに臨界的な状態にあった炉が、最後の一押しを受けたのは、本来であれば事態を収束させるはずの「緊急停止」操作だったのです。
停止ボタンは、本来なら物語の終わりであるべき存在です。ところがチェルノブイリでは、それが「最後の3秒間」の始まりになってしまいました。
この原子炉設計の欠陥が、事故の理解において今なお中心的な意味を持つのはそのためです。この大惨事は、誰かが原子炉を爆発させようとして始まったわけではありません。きっかけは、安全試験と不安定な機械、そして緊急時の操作が、連鎖反応を遅らせるどころか一時的に加速させてしまったという、致命的なねじれからだったのです。